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第二章课程设计要求3
2.1课题要求3
2.2元器件清单3
温度测量传感器的选择
通过以上表格的内容比较可知,此次设计选择热电偶传感器比较合适。
热电偶主要参数的确定
超过500度到1100度的可以用K分度热电偶,
一、热电偶的常用材料与结构
热电偶材料应满足:
物理性能稳定,热电特性不随时间改变;
化学性能稳定,以保证在不同介质中测量时不被腐蚀;
热电势高,导电率高,且电阻温度系数小便于制造;
复现性好,便于成批生产。
1.热电偶常用材料
a.铂—铂铑热电偶(S型)分度号LB—3
工业用热电偶丝:
Φ0.5mm,实验室用可更细些。
正极:
铂铑合金丝,用90%铂和10%铑(重量比)冶炼而成。
负极:
铂丝。
测量温度:
长期:
1300℃、短期:
1600℃。
特点:
材料性能稳定,测量准确度较高;
可做成标准热电偶或基准热电偶。
用途:
实验室或校验其它热电偶。
在高温还原性气体中(如气体中含Co、H2等)易被侵蚀,需要用保护套管。
材料属贵金属,成本较高。
热电势较弱。
b.镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2
工业用热电偶丝:
Φ1.2~2.5mm,实验室用可细些。
镍铬合金(用88.4~89.7%镍、9~10%铬,0.6%硅,0.3%锰,0.4~0.7%钴冶炼而成)。
镍硅合金(用95.7~97%镍,2~3%硅,0.4~0.7%钴冶炼而成)。
长期1000℃,短期1300℃。
价格比较便宜,在工业上广泛应用。
高温下抗氧化能力强,在还原性气体和含有SO2,
H2S等气体中易被侵蚀。
复现性好,热电势大,但精度不如WRLB。
c.镍铬—考铜热电偶(E型)分度号为EA—2
工业用热电偶丝:
Ф1.2~2mm,实验室用可更细些。
镍铬合金。
考铜合金(用56%铜,44%镍冶炼而成)。
长期600℃,短期800℃。
价格比较便宜,工业上广泛应用。
在常用热电偶中它产生的热电势最大。
气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。
考铜易氧化变质,适于在还原性或中性介质中使用。
d.铂铑30—铂铑6热电偶(B型)分度号为LL—2
铂铑合金(用70%铂,30%铑冶炼而成)。
铂铑合金(用94%铂,6%铑冶炼而成)。
长期可到1600℃,短期可达1800℃。
材料性能稳定,测量精度高。
还原性气体中易被侵蚀。
低温热电势极小,冷端温度在50℃以下可不加补偿。
成本高。
根据温度测量范围及精度,选用相应分度号的热电偶
使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;
要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶,高于1800℃一般选用钨铼热电偶;
使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;
在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;
250℃下以及负温测量
一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。
因为我们的设计要求是要温度在600度至900度之间,我们选用(K型)镍铬—镍硅(镍铝)热电偶分度号EU—2
影响热电偶的因素
1.
插入深度的影响
(1)测温点的选择
热电偶安装位置,即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置,对于生产工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。
(2)插入深度
热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。
当环境温度低时就会有热损失,致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。
总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。
而插入深度又与保护管材质有关。
金属保护管因其导热性能好,其插入深度应深一些(约为直径的15~20倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10~15倍)。
对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入可浅一些,具体数值应由实验确定。
2.
响应时间的影响
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。
因此,在测温时需保持一定时间,才能使两者达到热平衡。
而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。
而热响应时间主要取决于传感器结构及测量条件,差别极大。
对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;
对于液体而言,最快也要在5min以上。
对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,全过程仅1s,则要求传感器的响应时间在毫秒级。
因此,普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。
最好选择响应快的传感器。
对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。
测温元件热响应误差可通过下式确定。
Δθ=Δθ0exp(-t/t)
式中
Δθ——在t时刻,测温元件引起的误差,K或℃
Δθ0——“t=0”时刻,测温元件引起的误差,K或℃
t——测量时间,s
τ——时间常数,s
ε——自然对数的底(2.718)
因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e
即为0.368,
如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2
即为0.135。
当被测对象温度以一定速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够时间后,所产生的响应误差可用下式表示:
Δθ∞=-ατ
式中
Δθ∞—经过足够时间后,测温元件引起的误差
由式
(2)可以看出,响应误差与时间常数(τ)成正比。
为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。
二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误判。
3.
热辐射的影响
插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。
假定炉内气体是透明的,而且,热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。
在单位时间内,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:
P=σε(Tw4-Tt4)
(3)
σ——斯忒藩—波尔兹常数
ε——发射率
Tt——热电偶的温度,
K
Tw——炉壁的温度,
在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P'
P'
=αA(T-Tt)
(4)
式中α——热导率
A——热电偶的表面积
在正常状态下,P=P'
,其误差为:
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/
αA
(5)
对于单位面积而言其误差为
α
(6)
因此,为减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw尽可能接近热电偶温度Tt。
另外,在安装时还应注意:
热电偶安装位置应尽可能避开从固体发出的热辐射,使其不能辐射到热电偶表面;
热电偶最好带有热辐射遮蔽套。
4.
热阻抗增加的影响
在高温下使用的热电偶,如果被测介质为气态,那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上,使保护管的热阻抗增大;
如果被测介质是熔体,在使用过程中将有炉渣沉积,不仅增加了热电偶的响应时间,而且还使指示温度偏低。
因此,除了定期检定外,为了减少误差,经常抽检也是必要的。
例如,进口铜熔炼炉,不仅安装有连续测温热电偶,还配备消耗型热电偶测温装置,用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。
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